一、齒輪的振動機理與信號特征

 

齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系的原因，存在著運動和力的非平穩(wěn)性。圖1是齒輪副的運動學(xué)分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心。假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O1A>O1B，即A點的線速度VA大于B點的線速度VB。而O2A<O2B，從理論上有ω2=VB/O2B、ω3=VA/O2A，則ω2<ω3。然而A、B又是被動輪的嚙合點，當(dāng)齒輪副只有一個嚙合點時，隨著嚙合點沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當(dāng)有兩個嚙合點時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力FC(t)。

 

 

齒輪嚙合的特征頻率：

 

1、嚙合頻率

 

從這個意義上說：齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下：

 

齒輪一階嚙合頻率

 

嚙合頻率的高次諧波

 

其中：N為齒輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；Z為齒輪的齒數(shù)。

 

2、邊頻帶

 

由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。而轉(zhuǎn)軸上由于鍵槽等非均布結(jié)構(gòu)的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉(zhuǎn)時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生出以軸頻為間隔的邊頻帶。

 

邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變。可以說，邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。

 

此外齒輪制造時所具有的偏心誤差、周節(jié)誤差、齒形誤差、裝配誤差等，都能影響齒輪的振動。所以在監(jiān)測低精度齒輪的振動時，要考慮這些誤差的影響。

 

站在故障診斷的實用立場上看，只要齒輪的振動異常超標，就是有故障，就需要處理或更換。所以大多數(shù)情況下，并不需要辨別是哪種誤差所引起，只需判定能否繼續(xù)使用。

 

二、齒輪的故障分析方法

 

1、功率譜分析法

 

功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構(gòu)成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種重要的頻域分析方法。

 

幅值譜也能進行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關(guān)系，所以功率譜比幅值譜更能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分，而減少了隨機振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。

 

 

2、邊頻帶分析法

 

邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須有足夠高的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶譜線的間隔小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻，都阻礙邊頻帶的分析，必要時應(yīng)對感興趣的頻段進行頻率細化分析（ZOOM分析），以準確測定邊頻帶間隔，

 

 

一般從兩方面進行邊頻帶分析，一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出 (n=1,2,3 … ) 的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率Z和調(diào)制信號頻率r；二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。

 

根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：

 

1）當(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率r時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢的周期變化及載荷的周期波動等缺陷存在，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，這些缺陷就重復(fù)作用一次，即這些缺陷的重復(fù)頻率與該齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率相一致。旋轉(zhuǎn)頻率r指示出問題齒輪所在的軸。

 

2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似上述的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)

 

3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調(diào)制，在嚙合頻率其及諧頻兩側(cè)產(chǎn)生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分散，由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻族形狀各異。（見圖5）。嚴重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率r及其諧波成分增高